(57)【要約】【課題】  微細な工具の先端部を、高精度で容易に半球状に成形する、工具の製造方法を提供する。【解決手段】  先端加工用電極１０２には、延伸方向に垂直な断面が半円状の溝１０３が形成されている。この溝１０３の曲率中心を通る軸と主軸Ａｚが垂直になるよう工具部材１０１を配置し、工具部材１０１を主軸Ａｚで回転させながら先端加工用電極１０２に近づけて放電を発生させると、溝１０３の形状が転写されて、工具部材１０１の先端が半球状に成形される。【選択図】  図２ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具電極から被加工物に向けて発生させた放電で被加工物を加工する放電加工法によって半球状の先端部を有する工具を製造する方法であって、
主軸で回転する柱形の第１の部材を被加工物とし、当該第１の部材と対向する面が前記主軸と平行になるよう配置した第２の部材を工具電極として、半径が所望の大きさになるまで第１の部材を放電加工する行程と、
前記放電加工された前記第１の部材を用いて、板状の第３の部材に、前記第１の部材の半径とほぼ同じ曲率半径の溝を成形する行程と、
前記溝が成形された第３の部材を工具電極とし、主軸で回転する柱形の第４の部材を被加工物として、溝の曲率中心を通る軸と主軸が直交するよう配置した第４の部材の端部を放電加工する行程と、
を有する工具の製造方法。
【請求項２】
主軸で回転させた前記第１の部材で、当該主軸と平行に配置した前記第３の部材を研削して前記溝を成形することを特徴とする、請求項１に記載の工具の製造方法。
【請求項３】
前記第１の部材は、前記第３の部材より高硬度な材料であることを特徴とする、請求項２に記載の工具の製造方法。
【請求項４】
前記第１の部材は焼結ダイヤモンドであり、前記第３の部材はタングステンを主成分とする材料であることを特徴とする、請求項３に記載の工具の製造方法。
【請求項５】
前記第１の部材のビッカース硬さが８００以上であることを特徴とする、請求項３に記載の工具の製造方法。
【請求項６】
前記溝の幅が、前記第４の部材の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の工具の製造方法。
【請求項７】
前記第２の部材の、前記第１の部材と対向する面の平面度が０．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の工具の製造方法。
【請求項８】
前記第４の部材の先端部が、誤差が０．５ｍｍ以下で曲率半径が３ｍｍ以下の半球状に成形されることを特徴とする、請求項１に記載の工具の製造方法。
【請求項９】
工具電極から柱形の被加工物の先端に放電を発生させて、当該被加工物の先端を半球状に成形する放電加工装置であって、
少なくとも３個の球形の支持球と、
当該支持球の相対的な位置を固定する枠と、
球形の工具電極とを備え、
当該工具電極が、前記枠内で最密に配置された３個の支持球の間に載置されることを特徴とする放電加工装置。
【請求項１０】
前記工具電極の半径が、前記支持球の半径の１／３以上、４倍以下であることを特徴とする請求項９に記載の放電加工装置。
【請求項１１】
工具電極から柱形の被加工物の先端に放電を発生させて、当該被加工物の先端を半球状に成形する工具の製造方法であって、
細密に配置された３個の球形の支持球に球形の工具電極を載置して、前記被加工物の主軸と工具電極の中心とを一致させ、
主軸で回転する被加工物を工具電極の半径外側方向に移動させながら放電を発生させることを特徴とする工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ等の金型を放電加工装置で成形する際に工具電極として使用する工具の製造方法に関し、特に、先端部が半球状に成形された工具の製造方法に関する。また、本発明は工具電極の交換が容易な放電加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズアレイなどの光学デバイスは、金型を用いた注型や射出成形などで成型することができる。レンズ用の金型の凹部の成形には、微細な金属加工（彫り込み）が可能な放電加工法が利用されている。極率半径が小さい、高い開口数（ＮＡ）の高精度なレンズを製造するためには、金型成形時に放電加工装置の電極として使用するレンズ金型の成形用の工具（以下、金型用工具という）を、０．１μｍ以下との誤差で作製する必要がある。
【０００３】
図１０に示すような、柱状の金型用工具１００１の半球状の先端部Ｅａの成形方法として、従来から、放電ツルーイング法（特許文献１）や、ワイヤ放電加工法が採用されている。金型用工具には、放電加工時における電極消耗が少ない材料が適しており、タングステンを主成分とする材料がよく利用されている。
【０００４】
放電ツルーイング法による加工では、成形する金型用工具の一端を図１０に示すようにホルダ（把持機構）１００２で把持し、他端を回転している電極に近づけて、例えば金型用工具をＺ軸の方向に移動させると共に電極をＸ軸及びＹ軸の方向に移動させることによって、金型用工具の先端部を半球状に成形していく。
【特許文献１】特開昭６３−２８３８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タングステンのように硬度の高い材料で金型用工具を製造する場合でも、金型用工具が細くなると、そりや折れが生じやすくなる。したがって、製造する金型用工具が微細になるほど、図１０に示すホルダ１００２から露出させる金型用工具の長さｄを短くしなければならない。当然ながら、ホルダ１００２の直径は金型用工具１００１の直径よりも大きいため、金型用工具１００１が微細になるほど、金型用工具１００１が電極に近づくよりも先にホルダ１００２が電極に接触してしまうことになり、金型用工具１００１の先端部を上述の精度で半球状に成形することが困難であった。
【０００６】
また、上述した放電ツルーイング法によれば、金型用工具から相対的に見て電極をｘ、ｙ、ｚ軸の方向に移動させることになるので、ｘ、ｙ、ｚ軸の方向で発生する誤差が累積され、誤差を小さくすることに限界があった。また、ｘ、ｙ、ｚ軸の方向に移動を制御する制御装置が大掛かりであった。
【０００７】
一方、金型用工具電極の半球状の先端部をワイヤ放電研削法で成形する場合、被加工物が微細化する程、ワイヤの断面形状誤差やワイヤの走行ムラが加工精度に影響を及ぼすことになり、金型用工具の半球状の先端部を上述の精度で成形することが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、微細な金型用工具の先端部を、容易に、高精度で半球状に成形する金型用工具の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
また、放電加工装置で使用する工具電極は消耗していくので、上記のように高い精度が要求される加工を行う場合には、工具電極の交換が必要になる。したがって、本発明は、交換が容易な工具電極を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の工具の製造方法は、工具電極から被加工物に向けて発生させた放電で被加工物を加工する放電加工法によって半球状の先端部を有する工具を製造する方法であって、主軸で回転する柱形の第１の部材を被加工物とし、当該第１の部材と対向する面が前記主軸と平行になるよう配置した第２の部材を工具電極として、半径が所望の大きさになるまで第１の部材を放電加工する行程と、前記放電加工された前記第１の部材を用いて、板状の第３の部材に、当該第１の部材の半径とほぼ同じ曲率半径の溝を成形する行程と、前記溝が成形された第３の部材を工具電極とし、主軸で回転する柱形の第４の部材を被加工物として、溝の曲率中心を通る軸と主軸が直交するよう配置した第４の部材の端部を放電加工する行程と、を有する。
【００１１】
また、本発明の放電加工装置は、工具電極から柱形の被加工物の先端に放電を発生させて、当該被加工物の先端を半球状に成形する放電加工装置であって、少なくとも３個の球形の支持球と、当該支持球を内部で固定する枠と、球形の工具電極とを備え、当該工具電極が、前記枠内で最密に配置された３個の支持球の間に載置される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の工具の製造方法によれば、柱状の微細な工具の先端部を、容易かつ高精度に半球状に成型することができる。
【００１３】
また、本発明の放電加工装置によれば、工具電極は支持球の上で固定されずに載置されているだけなので、工具電極の交換が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
本実施形態では、マイクロレンズなどを成形する金型を放電加工装置で成形する際に電極として使用する、先端部が半球状になった微細な工具の製造方法を説明する。
【００１５】
図１、図２は、円柱形の工具部材１０１の先端部Ｅｂを半球状に成形することで工具２０１を製造する様子を示している。先端加工用電極１０２と、工具部材１０１（工具２０１）とは、図示しない放電加工装置の工具電極と被加工物を構成している。放電加工装置は、放電のエネルギーで金属材料の被加工物を部分的に溶融除去する放電加工法を利用して、微細加工を行う装置である。
【００１６】
先端加工用電極１０２の表面には、溝１０３が成形されており、溝１０３の延伸方向に垂直な面における溝１０３の断面形状は曲率半径ｒの真半円になっており、溝の深さＨと曲率半径ｒの関係は、Ｈ＝ｒで表される。溝１０３の断面形状と大きさは、溝１０３の延伸方向のいずれの位置においても均一になっている。先端加工用電極１０２と工具部材１０１は、いずれも放電加工装置の工具電極として使用されるので、例えばタングステンのように融点の高い、放電加工中の消耗が少ない材料が適している。ただし、先端加工用電極１０２と工具部材１０１の材料は同一の材料でなくてもよく、原料比や原料が異なる材料であってもよい。
【００１７】
図１に示すように、ホルダ１０４で把持された工具部材１０１と先端加工用電極１０２は、工具部材１０１の主軸Ａｚが溝１０３の曲率中心を通る軸Ａｘと直交するように配置される。工具部材１０１は、主軸Ａｚで回転させることができる。また、工具部材１０１は、図1に矢印Ｋｚで示すように、主軸Ａｚに沿って移動させることができる。放電加工装置の電源から先端加工用電極１０２と工具部材１０１との間に電圧を印加し、主軸Ａｚで回転する工具部材１０１を先端加工用電極１０２に接近させると、先端加工用電極１０２から工具部材１０１に向けて放電が発生する。このように発生させた放電のエネルギーで、図１に示す工具部材１０１の先端Ｅｂが溶融されて、図２に示す先端Ｅａのように半球状に成形される。以下、先端Ｅａが半球状になった工具部材１０１を工具２０１という。
【００１８】
本発明の工具の製造方法では、工具部材１０１を主軸Ａｚで回転させながら主軸Ａｚに沿って移動させるだけで、工具部材１０１の先端部Ｅｂを半球状に成形することができる。また、放電によって溝１０３の一部が消耗した場合、先端加工用電極１０２または工具部材１０１を、図１に矢印Ｋｘで示すように、軸Ａｘに沿う方向に、工具部材１０１の直径より長い距離ずつ移動させれば、溝１０３の消耗していない部分を利用して放電加工を行うことができる。したがって、本発明の工具の製造方法で使用する先端加工用電極１０２は、煩雑な軸あわせを伴う電極交換の回数が少なくて済む。
【００１９】
先端加工電極の溝１０３の断面形状が真半円でなくても、図３（ａ）に示すように底面に曲率半径ｒの半円が形成されている形状であれば、工具２０１の先端Ｅｂを半球状に成形することができる。図３（ａ）に示す溝の深さＨ’と曲率半径ｒの関係は、Ｈ’＞ｒで表される。なお、図３（ｂ）に示すように、溝１０３の断面形状が真半円に満たない円弧であれば、工具２０１の先端部は、この円弧とほぼ同じ極率を有する球面状に成形される。
【００２０】
上述の工具２０１の製造方法では、溝１０３を高精度で成形しておくほど、工具２０１の先端部を、真球からの誤差が小さい半球状に成形することができる。工具２０１をマイクロレンズの金型成形のために使用する場合、工具２０１の先端部Ｅａは、０．５μｍ以下、より望ましくは、０．１μｍ以下の誤差で成形される必要がある。このように微小な形状誤差の溝１０３を成形する方法を図４、図５を用いて説明する。
【００２１】
図４は、溝１０３を成形するための研削工具５０１の製造方法を示している。図４において、加工されて研削工具５０１となる柱状の研削工具用部材４０１と研削工具成型用ブロック４０２は、図示しない放電加工装置の被加工物と工具電極を構成している。研削工具用部材４０１の材料には、導電性でタングステンよりも硬度の高い焼結ダイヤモンド等が適している。また、そり等の変形による誤差を抑制するために、研削工具用部材４０１には、ビッカース硬さＨｖ＝８００以上の高硬度の材料を用いることが望ましい。加工が施される前の研削工具用部材４０１の形状は、円柱でも角柱でも良い。
【００２２】
研削工具成形用ブロック４０２は、研削工具用部材４０１の主軸Ｂｚと平行な平面４０３を有しており、研削工具用部材４０１は、平面４０３と対向するよう配置されている。主軸Ｂｚで回転する研削工具用部材４０１と研削工具成形用ブロック４０２に電圧を印加し、平面４０３から研削工具用部材４０１の表面に放電を発生させる放電加工によって、研削工具用部材４０１から溝１０３を成形するための研削工具５０１を作製する。上述した所望の精度を要する工具２０１を成形するための溝１０３を形成するには、研削工具成型用ブロック４０２の平面４０３の平面度（真平面に対する誤差）は、０．５μｍ以下であることが望ましい。平面４０３の平面度が高ければ、円筒度（円柱度）の高い円柱状の研削工具５０１を作製することができる。
【００２３】
研削工具用部材４０１の加工が進むと、平面４０３と研削工具用部材４０１の表面との距離が広がっていくが、研削工具成型用ブロック４０２と研削工具用部材４０１との間への印加電圧を変化させて放電を発生させることができれば、研削工具成型用ブロック４０２や、研削工具用部材４０１を接近させずに加工を進めることができる。したがって、研削工具５０１を製造する放電加工装置は、研削工具用部材４０１の回転のみ制御できればよい。
【００２４】
図５（ｃ）（ｄ）は、上述の方法で製造した研削工具５０１で、板材５０２に溝１０３を成形する様子を示している。溝１０３が成形された板材５０２は、図１、図２を用いて説明した先端加工用電極１０２となる。したがって、板材５０２はタングステン等、放電加工の材料として適した材料であることが望ましい。図５（ｃ）に示すように、板材５０２を、研削工具５０１の主軸Ｂｚと平行に配置しておき、研削工具５０１を主軸Ｂｚで回転させながら、主軸Ｂｚと垂直な方向に移動させて板材５０２を研削すれば、延伸方向のいずれの位置においても断面形状が等しい溝１０３を成形することができる。板材５０２に形成される溝１０３の曲率半径ｒは、研削工具５０１の曲率半径とほぼ等しくなるが、正確には、研削工具５０１の曲率半径よりも少し大きくなる。したがって、成形したい溝１０３の大きさから考慮して、研削工具５０１の曲率半径を算出し、研削工具５０１を作製しておくとよい。
【００２５】
なお、溝１０３の形成に、放電加工法ではなく研削法を採用した理由は、板材５０２から除去しなければならない部分の体積が大きいためである。放電加工法では、一度の放電での除去量が微量であるため、研削よりも加工に時間を要する。ただし、加工時間を考慮しなくてもよければ、放電加工法で溝１０３を成形しても差し支えない。
【００２６】
本発明の工具の製造方法で使用する放電加工装置または研削装置では、回転や直線的な移動のみを制御できればよいので、大掛かりな装置構成を必要としない。また、工具部材１０１や研削工具用部材４０１を直線的に移動させるため、ｘ、ｙ、ｚ軸の各方向に立体的に移動させる場合ように各方向で発生する誤差が累積されることがなく、最終的に製造される工具２０１の形状誤差を抑制することができる。より具体的には、先端部の曲率半径が３ｍｍ以下で、形状誤差が０．１μｍ以下のマイクロ工具を作製することができる。
【００２７】
（第２実施形態）
図６は、本発明の別の実施形態による放電加工装置６０１の概略側面図である。放電加工装置６０１のＬ字状の架台６０２の上には、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹステージ６０３が乗せられている。また、架台６０２の側面のＸＹステージ６０３の上方にはＺ軸方向に移動可能なＺステージ６０４が配置されている。
【００２８】
ＸＹステージ６０３の上に乗せられた加工層６０５の内部には、大きさが等しいの球形の支持球６０６が最密な配置になるように敷き詰められている。最密な配置とは、図７（ｅ）に平面図で示すように、隣り合う３つの支持球６０６ａ、６０６ｂ、６０６ｃの中心を結んだ形状が正三角形になり、この正三角形の一辺が支持球６０６の直径と等しくなる配置である。加工層６０５の側壁の内周面を枠として形成される空間の形状と大きさは、どのような形状と大きさであってもよいが、加工層６０５の内部で支持球６０６が回転以外の動きをするようなスペースがあってはならない。なお、支持球６０６の数は、少なくとも３個以上であればいくつであってもよい。また、支持球６０６は、硬度が高く変形しにくい材質であることが望ましい。
【００２９】
タングステンを主成分とする球形の工具電極６０７は、図７（ｆ）、（ｇ）に平面図と正面図とで示すように、３個の支持球６０６ａ〜６０６ｃの間形成された窪みに積置され、支持球６０６ａ〜６０６ｃによって三点支持される。このように三点支持された工具電極６０７の、Ｚ軸に平行な主軸Ｄｚは、支持球６０６ａ〜６０６ｃに固着しなくても、ＸＹ平面上で移動することがない。なお、工具電極６０７を支持球６０６で安定に支持するためには、工具電極６０７の半径は、支持球６０６の半径の１／３以上、４倍以下であることが望ましい。
【００３０】
図６に示すように、Ｚステージ６０４の前面には、円柱形の被加工物６０９の主軸Ｅｚがｚ軸と平行になるよう被加工物６０９を把持するホルダ（把持機工）６１０が設けられている。Ｚステージ６０４の側面には、加工液供給ノズル６０８が取り付けられており、加工液供給ノズル６０８から、被加工物６０９と工具電極６０７に加工液を掛けることができる。
【００３１】
図８に斜視図で示すように、円柱形の被加工物６０９の主軸Ｅｚと、上述の工具電極６０７の主軸Ｄｚとが一致する位置を基準位置とする。主軸Ｅｚを回転軸として被加工物６０９を回転させながら、ＸＹステージ６０３及びＺステージ６０４を移動させて、図８に太線矢印Ｋｃで示すように、被加工物６０９を基準位置から工具電極６０７の表面に沿って、工具電極６０７の半径外側方向に移動させる。このようにＸＹステージ６０３及びＺステージ６０４を動かしながら、工具電極６０７から被加工物６０９に向けて放電を発生させると、被加工物６０９の先端部は工具電極６０７の球面と同じ曲率の半球状に成形される。
【００３２】
放電加工により工具電極６０７は消耗していくので、特に高い精度が要求される加工を行う場合には、頻繁に工具電極を交換する必要が生じる。本実施形態の放電加工装置６０１の工具電極６０７は、支持球６０６で三点支持させているだけなので、工具電極６０７を簡単に交換することができ、煩雑な軸あわせを行う必要がない。
【００３３】
また、図９に平面図で示すように、加工層６０５に細密な配置になるよう敷き詰められた支持球６０６で形成された窪みの異なる位置に、あらかじめ複数の工具電極６０７を配置しておけば、ＸＹステージ６０３及びＺステージ６０４を移動させるだけで、工具電極６０７を交換することができる。
【００３４】
なお、本発明の放電加工装置でマイクロレンズの金型のように精度が要求される加工に使用する先端が半球状になった工具を作製する場合、工具電極６０７と支持球６０６の真球に対する形状誤差は０．１μｍ以下であることが望ましい。また、支持球６０６は積載されて２層以上になっていてもよい。ただし、支持球６０６を２層以上に積載すると、支持球６０６の形状誤差がｚ軸に平行な主軸Ｄｚの方向に累積されることになるため、支持球が一層である場合よりも高さ精度は低下することになる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の第１および第２の実施形態で説明した工具の製造方法および放電加工装置によれば、例えばマイクロレンズを成形する金型等を放電加工装置で成形する際に電極として使用される、先端が半球状の工具を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の放電加工方法を説明する図
【図２】図１の続図であって、放電加工で成形された工具を説明する図
【図３】（ａ）、（ｂ）は、先端加工用電極の断面図
【図４】研削工具の製造方法を説明する図
【図５】（ｃ）（ｄ）は、先端加工用電極の成形方法を説明する図
【図６】本発明の別の実施形態による放電加工装置を説明する図
【図７】（ｅ）は支持具の平面図、（ｆ）（ｇ）は支持具と工具電極の平面図および正面図
【図８】放電加工方法を説明する図
【図９】工具電極の配置の一例を説明する図
【図１０】製造する工具の形状を説明する図
【符号の説明】
【００３７】
１０１  工具部材
１０２  先端加工用電極
１０３  溝
２０１  工具
４０１  研削工具用部材
４０２  研削工具成型用ブロック
５０１  研削工具
【図１】
2005177880.tif 000003
【図２】
2005177880.tif 000004
【図３】
2005177880.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005177880.tif 000010
【図９】
2005177880.tif 000011
【図１０】
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